DS18B20 数字温度传感器实验

STM32 虽然内部自带了温度传感器，但是因为芯片温升较大等问题，与实际温度差别较大，所以，本章我们将向大家介绍如何通过 STM32 来读取外部数字温度传感器的温度，来得到较为准确的环境温度。在本章中，我们将学习使用单总线技术，通过它来实现 STM32 和外部温度传感器（ DS18B20）的通信，并把从温度传感器得到的温度显示在 TFTLCD 模块上。

1 DS18B20 简介
DS18B20 是由 DALLAS 半导体公司推出的一种的“一线总线”接口的温度传感器。与传统的热敏电阻等测温元件相比，它是一种新型的体积小、适用电压宽、与微处理器接口简单的数字化温度传感器。一线总线结构具有简洁且经济的特点，可使用户轻松地组建传感器网络，从而为测量系统的构建引入全新概念，测量温度范围为-55~+125℃ ，精度为±0.5℃。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。它能直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现 9~l2 位的数字值读数方式。它工作在 3~5.5V 的电压范围，采用多种封装形式，从而使系统设计灵活、方便，设定分辨率及用户设定的报警温度存储在 EEPROM 中，掉电后依然保存。

ROM 中的 64 位序列号是出厂前被光记好的，它可以看作是该 DS18B20 的地址序列码，每DS18B20 的 64 位序列号均不相同。 64 位 ROM 的排列是：前 8 位是产品家族码，接着 48 位是DS18B20 的序列号，最后 8 位是前面 56 位的循环冗余校验码(CRC=X8+X5+X4+1)。 ROM 作用是使每一个 DS18B20 都各不相同，这样就可实现一根总线上挂接多个 DS18B20。
所有的单总线器件要求采用严格的信号时序，以保证数据的完整性。 DS18B20 共有 6 种信号类型：复位脉冲、应答脉冲、写 0、写 1、读 0 和读 1。所有这些信号，除了应答脉冲以外，都由主机发出同步信号。并且发送所有的命令和数据都是字节的低位在前。这里我们简单介绍这几个信号的时序：

①、独特的单总线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。大大提高了系统的抗干扰性。

② 、测温范围－55℃～+125℃，精度为±0．5℃。

③、支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，最多只能并联8个，实现多点测温，如果数量过多，会使供电电源电压过低，从而造成信号传输的不稳定。

④、工作电源: 3.0~5.5V/DC （可以数据线寄生电源）。

⑤ 、在使用中不需要任何外围元件。

⑥、测量结果以9~12位数字量方式串行传送。

1）复位脉冲和应答脉冲
单总线上的所有通信都是以初始化序列开始。主机输出低电平，保持低电平时间至少 480us，，以产生复位脉冲。接着主机释放总线， 4.7K 的上拉电阻将单总线拉高，延时 15～60 us，并进入接收模式(Rx)。接着 DS18B20 拉低总线 60~240 us，以产生低电平应答脉冲，若为低电平，再延时 480 us。
2）写时序
写时序包括写 0 时序和写 1 时序。所有写时序至少需要 60us，且在 2 次独立的写时序之间至少需要 1us 的恢复时间，两种写时序均起始于主机拉低总线。写 1 时序：主机输出低电平，延时 2us，然后释放总线，延时 60us。写 0 时序：主机输出低电平，延时 60us，然后释放总线，延时 2us。
3）读时序
单总线器件仅在主机发出读时序时，才向主机传输数据，所以，在主机发出读数据命令后，必须马上产生读时序，以便从机能够传输数据。所有读时序至少需要 60us，且在 2 次独立的读时序之间至少需要 1us 的恢复时间。每个读时序都由主机发起，至少拉低总线 1us。主机在读时序期间必须释放总线，并且在时序起始后的 15us 之内采样总线状态。典型的读时序过程为：
主机输出低电平延时 2us，然后主机转入输入模式延时 12us，然后读取单总线当前的电平，然后延时 50us。
在了解了单总线时序之后，我们来看看 DS18B20 的典型温度读取过程， DS18B20 的典型温度读取过程为：复位发 SKIP ROM 命令（ 0XCC） 发开始转换命令（ 0X44）延时复位发送 SKIP ROM 命令（ 0XCC） 发读存储器命令（ 0XBE） 连续读出两个字节数据(即温度)结束。
DS18B20封装

2.连接方式

连接在STM32上的引脚接口（可以选择其他）连接的引脚为后面的编程用得到

单总线是一种半双工通信方式

DS18B20共有6种信号类型：复位脉冲、应答脉冲、写0、写1、读0和读1。所有这些信号，除了应答脉冲以外，都由主机发出同步信号。并且发送所有的命令和数据都是字节的低位在前。

边讲信号类型，边讲代码配置的方式，让大家了解STM32驱动18B20过程。

信号线：PG9

//IO方向设置

#define DS18B20_IO_IN() {GPIOG->MODER&=~(3<<(9*2));GPIOG->MODER|=0<<9*2;} //PG9输入模

#define DS18B20_IO_OUT() {GPIOG->MODER&=~(3<<(9*2));GPIOG->MODER|=1<<9*2;} //PG9输出模

IO操作

#define DS18B20_DQ_OUT PGout(9) //数据端口PG9

#define DS18B20_DQ_IN PGin(9) //数据端口 PG9

（ 1）. 复位脉冲

单总线上的所有通信都是以初始化序列开始。主机输出低电平，保持低电平时间至少480 us，，以产生复位脉冲。接着主机释放总线，4.7K的上拉电阻将单总线拉高，延时15～60 us，并进入接收模式(Rx)。接着DS18B20拉低总线60~240 us，以产生低电平应答脉冲。

//复位DS18B20 void DS18B20_Rst(void)

{

DS18B20_IO_OUT(); //设置为输出模式

DS18B20_DQ_OUT=0; //拉低DQ

delay_us(750); //拉低750us（至少480us)

DS18B20_DQ_OUT=1; //DQ=1拉高释放总线

delay_us(15); //15US

//进入接受模式，等待应答信号。

}

② 应答信号

//等待DS18B20的回应

//返回1:未检测到DS18B20的存在返回0:存在

u8 DS18B20_Check(void)

{

u8 retry=0;

DS18B20_IO_IN();//SET PA0 INPUT

while (DS18B20_DQ_IN&&retry<200)

{

retry++;

delay_us(1);

};

if(retry>=200)return 1;

else retry=0;

while (!DS18B20_DQ_IN&&retry<240)

{

retry++;

delay_us(1);

};

if(retry>=240)return 1;

return 0;

}

③ 写时序

写时序包括写0时序和写1时序。所有写时序至少需要60us，且在2次独立的写时序之间至少需要1us的恢复时间，两种写时序均起始于主机拉低总线。写1时序：主机输出低电平，延时2us，然后释放总线，延时60us。写0时序：主机输出低电平，延时60us，然后释放总线，延时2us。

/写一个字节到DS18B20 //dat：要写入的字节

void DS18B20_Write_Byte(u8 dat)

{

u8 j;

u8 testb;

DS18B20_IO_OUT();//设置PA0为输出

for (j=1;j<=8;j++)

{

testb=dat&0x01;

dat=dat>>1;

if (testb) //输出高

{

DS18B20_DQ_OUT=0;// 主机输出低电平

delay_us(2); //延时2us

DS18B20_DQ_OUT=1;//释放总线

delay_us(60); //延时60us

}

else //输出低

{

DS18B20_DQ_OUT=0;//主机输出低电平

delay_us(60); //延时60us

DS18B20_DQ_OUT=1;//释放总线

delay_us(2); //延时2us

}

④ 读时序

单总线器件仅在主机发出读时序时，才向主机传输数据，所以，在主机发出读数据命令后，必须马上产生读时序，以便从机能够传输数据。所有读时序至少需要60us，且在2次独立的读时序之间至少需要1us的恢复时间。每个读时序都由主机发起，至少拉低总线1us。主机在读时序期间必须释放总线，并且在时序起始后的15us之内采样总线状态。

典型的读时序过程为：主机输出低电平延时2us，然后主机转入输入模式延时12us，然后读取单总线当前的电平，然后延时50us。

//从DS18B20读取一个位 //返回值：1/0

u8 DS18B20_Read_Bit(void) // read one bit

{

u8 data;

DS18B20_IO_OUT();//设置为输出

DS18B20_DQ_OUT=0; //输出低电平2us

delay_us(2);

DS18B20_DQ_OUT=1; //拉高释放总线

DS18B20_IO_IN();//设置为输入

delay_us(12);//延时12us

if(DS18B20_DQ_IN)data=1;//读取总线数据

else data=0;

delay_us(50); //延时50us

return data;

}

读取一个字节数据

//从DS18B20读取一个字节 //返回值：读到的数据

u8 DS18B20_Read_Byte(void) // read one byte

{

u8 i,j,dat;

dat=0;

for (i=1;i<=8;i++)

{

j=DS18B20_Read_Bit();

dat=(j<<7)|(dat>>1);

}

return dat;

}

我们来看看DS18B20的典型温度读取过程，DS18B20的典型温度读取过程为：复位发SKIP ROM命令（0XCC）发开始转换命令（0X44）延时复位发送SKIP ROM命令（0XCC）发读存储器命令（0XBE）连续读出两个字节数据(即温度)结束。

3最后最终源程序(需要把程序放在STM32F4库函数编写)

打开我们的 DS18B20 数字温度传感器实验工程可以看到我们添加了 ds18b20.c 文件以及其
头文件 ds18b20.h 文件，所有 ds18b20 驱动代码和相关定义都分布在这两个文件中。
//ds18b20.c代码

//复位 DS18B20

#include "DS18B20"
void DS18B20_Rst(void)
{
DS18B20_IO_OUT(); //SET PG11 OUTPUT
DS18B20_DQ_OUT=0; //拉低 DQ
delay_us(750); //拉低 750us
DS18B20_DQ_OUT=1; //DQ=1
delay_us(15); //15US
}
//等待 DS18B20 的回应
//返回 1:未检测到 DS18B20 的存在
//返回 0:存在
u8 DS18B20_Check(void)
{
u8 retry=0;
DS18B20_IO_IN();//SET PG11 INPUT
while (DS18B20_DQ_IN&&retry<200) { retry++; delay_us(1); };
if(retry>=200)return 1;
else retry=0;
while (!DS18B20_DQ_IN&&retry<240) {retry++; delay_us(1); };
if(retry>=240)return 1;
return 0;
}
//从 DS18B20 读取一个位
//返回值： 1/0
u8 DS18B20_Read_Bit(void)
{
u8 data;
DS18B20_IO_OUT();//SET PG11 OUTPUT
DS18B20_DQ_OUT=0;
delay_us(2);
DS18B20_DQ_OUT=1;
DS18B20_IO_IN();//SET PG11 INPUT
delay_us(12);
if(DS18B20_DQ_IN)data=1;
else data=0;
delay_us(50);
return data;
}
//从 DS18B20 读取一个字节
//返回值：读到的数据
u8 DS18B20_Read_Byte(void)
{
u8 i,j,dat;
dat=0;
for (i=1;i<=8;i++)
{
j=DS18B20_Read_Bit();
dat=(j<<7)|(dat>>1);
}
return dat;
}
//写一个字节到 DS18B20
//dat：要写入的字节
void DS18B20_Write_Byte(u8 dat)
{
u8 j;
u8 testb;
DS18B20_IO_OUT();//SET PG11 OUTPUT;
for (j=1;j<=8;j++)
{
testb=dat&0x01;
dat=dat>>1;
if (testb)
{
DS18B20_DQ_OUT=0;// Write 1
delay_us(2);
DS18B20_DQ_OUT=1;
delay_us(60);
}
else
{
DS18B20_DQ_OUT=0;// Write 0
delay_us(60);
DS18B20_DQ_OUT=1;
delay_us(2);
}
}
}
//开始温度转换
void DS18B20_Start(void)
{
DS18B20_Rst();
DS18B20_Check();
DS18B20_Write_Byte(0xcc);// skip rom
DS18B20_Write_Byte(0x44);// convert
}
//初始化 DS18B20 的 IO 口 DQ 同时检测 DS 的存在
//返回 1:不存在
//返回 0:存在
u8 DS18B20_Init(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOG, ENABLE);//使能 GPIOG 时钟
//GPIOG9

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT;//普通输出模式
GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;//推挽输出
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;//50MHz
GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP;//上拉
GPIO_Init(GPIOG, &GPIO_InitStructure);//初始化
DS18B20_Rst();
return DS18B20_Check();
}

//从 ds18b20 得到温度值
//精度： 0.1C
//返回值：温度值（ -550~1250）
short DS18B20_Get_Temp(void)
{
u8 temp;
u8 TL,TH;
short tem;
DS18B20_Start();// ds1820 start convert
DS18B20_Rst();
DS18B20_Check();
DS18B20_Write_Byte(0xcc);// skip rom
DS18B20_Write_Byte(0xbe);// convert
TL=DS18B20_Read_Byte(); // LSB
TH=DS18B20_Read_Byte(); // MSB
if(TH>7)
{
TH=~TH;
TL=~TL;
temp=0; //温度为负
}else temp=1; //温度为正
tem=TH; //获得高八位
tem<<=8;
tem+=TL; //获得底八位
tem=(double)tem*0.625;//转换
if(temp)return tem; //返回温度值
else return -tem;
}
该部分代码就是根据我们前面介绍的单总线操作时序来读取 DS18B20 的温度值的，DS18B20
的温度通过 DS18B20_Get_Temp 函数读取，该函数的返回值为带符号的短整型数据，返回值的
范围为-550~1250，其实就是温度值扩大了 10 倍。
主函数ds18b20.h

#include "sys.h"
#include "delay.h"
#include "usart.h"
#include "led.h"
#include "lcd.h"
#include "ds18b20.h"

int main(void)
{
u8 t=0;
short temperature;
NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);//设置系统中断优先级分组 2
delay_init(168); //初始化延时函数
uart_init(115200); //初始化串口波特率为 115200
LED_Init(); //初始化 LED
LCD_Init();
POINT_COLOR=RED;//设置字体为红色
LCD_ShowString(30,50,200,16,16,"ALIX");
LCD_ShowString(30,70,200,16,16,"DS18B20 TEST");
LCD_ShowString(30,90,200,16,16,"ALIX");
LCD_ShowString(30,110,200,16,16,"2018/7/22");
while(DS18B20_Init()) //DS18B20 初始化
{
LCD_ShowString(30,130,200,16,16,"DS18B20 Error");
delay_ms(200);
LCD_Fill(30,130,239,130+16,WHITE);
delay_ms(200);
}
LCD_ShowString(30,130,200,16,16,"DS18B20 OK");
POINT_COLOR=BLUE;//设置字体为蓝色
LCD_ShowString(30,150,200,16,16,"Temp: . C");
while(1)
{
if(t%10==0)//每 100ms 读取一次
{
temperature=DS18B20_Get_Temp();
if(temperature<0)
{
LCD_ShowChar(30+40,150,'-',16,0); //显示负号
temperature=-temperature; //转为正数
}else LCD_ShowChar(30+40,150,' ',16,0); //去掉负号
LCD_ShowNum(30+40+8,150,temperature/10,2,16); //显示正数部分
LCD_ShowNum(30+40+32,150,temperature%10,1,16); //显示小数部分
}
delay_ms(10); t++;
if(t==20)
{
t=0; LED0=!LED0;
}
}

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